АМОРТИЗАТОР Российский патент 1999 года по МПК F16F7/10 B60G13/18 

Изобретение относится к устройствам для гашения колебаний виброизолируемых объектов и предназначено для применения преимущественно в подвесках транспортных средств.

Известна подвеска усовершенствованного сиденья водителя автомобиля-самосвала БелАЗ (Дербаремдикер А.Д. Амортизаторы транспортных машин. - 2-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985, см. с. 151-152 и рис. 99), содержащая амортизатор с дополнительным инерционным сопротивлением. Амортизатор включает две опоры и механическую кривошипно-шатунную передачу, преобразующую возвратно-поступательное движение во вращательное и выполненную в виде инерционного механизма, шатун которой одним концом связан с одной опорой амортизатора, а другим - с маховиком в виде цилиндра, установленным на валу, связанным с другой опорой амортизатора. При деформациях амортизатора маховик совершает угловые колебания вокруг своей оси и создает инерционную силу, пропорциональную относительному ускорению, что уменьшает колебания в зоне низких частот вследствие снижения частоты собственных колебаний.

Недостатком данного амортизатора является то, что кривошипно-шатунная механическая передача имеет малое передаточное число, вследствие чего для эффективного гашения колебаний требуется маховик большой массы, что является неприемлемым по технико-экономическим показателям для подвесок сидений грузовых автомобилей средней грузоподъемности и тракторов. Кроме того, этот амортизатор нельзя применить в подвеске кузова транспортных средств, поскольку там при высоких частотах относительных перемещений маховик вследствие своей инерционности практически будет блокировать подвеску и ухудшать плавность хода.

Наиболее близкой из известных технических решений является активная подвеска корпуса транспортного средства (а.с. СССР, N 568561, B 60 G 25/00, 1977 г. ), в которой в качестве амортизатора содержится механическая передача. Входное звено передачи приводится во вращение от колеса транспортного средства, картер передачи связан с одной опорой амортизатора, а выходным звеном передачи являются фрикционные диски, соединенные с выходным валом передачи, на котором установлена шестерня, взаимодействующая с зубчатой рейкой, соединенной с другой опорой амортизатора. Реечная передача преобразует вращательные движения выходного звена в возвратно-поступательные движения опор амортизатора. Моменты трения фрикционных дисков, преобразуемые посредством реечной передачи в осевые силы между опорами, регулируются в зависимости от относительного ускорения.

Недостатком данного амортизатора активной подвески корпуса транспортного средства является то, что механическая передача имеет большое число звеньев, постоянно связанных с колесом и приводящих к потере сравнительно большой мощности двигателя транспортного средства даже при отсутствии колебаний. Кроме того, сложная система регулирования моментов трения фрикционных дисков повышает стоимость и снижает надежность подвески в целом.

Низкий технический уровень данного амортизатора активной подвески обусловлен необходимостью подвода энергии от колеса и большой сложностью и металлоемкостью механической передачи, что увеличивает вес и стоимость амортизатора, снижает его надежность особенно при больших скоростях движения и высоких частотах колебаний, при которой быстродействие системы регулирования может оказаться недостаточным.

В этой связи важнейшей задачей является создание новой конструкции пассивной саморегулируемой системы гашения колебаний, работающей как при низких, так и при высоких частотах, обеспечивающей рекуперацию энергии колебаний при ограниченной осевой силе амортизатора за счет введения новой конструкции механической передачи в виде инерционного механизма, регулирующего силу демпфирования по величине и направлению в зависимости от относительного ускорения, частоты и изменения нагрузки на подвеску, в котором перемещение подвижного диска фрикционной муфты изменяет величину ограничения силы трения между выходным звеном механической передачи и ее инерционным элементом, тем самым создаются условия эффективного гашения колебаний в широком спектре частот и нагрузок, что позволяет использовать амортизатор в различных колебательных системах, в том числе с высокими динамическими нагрузками.

Техническим результатом заявленного амортизатора является создание нового амортизатора, осевая сила которого автоматически регулируется по величине и направлению в зависимости от относительного ускорения, частоты и изменения нагрузки на подвеску объекта виброзащиты за счет новой структуры амортизатора, имеющего простую конструкцию, небольшие габариты и высокий уровень надежности и обеспечивающего эффективное гашение колебаний в широком спектре частот и нагрузок, что повышает плавность хода транспортного средства.

Указанный технический результат достигается тем, что в амортизаторе, содержащем две опоры и механическую передачу, преобразующую вращательное движение в возвратно-поступательное и имеющую картер, соединенный с одной опорой, вал с шестерней и зубчатую рейку, взаимодействующую с шестерней вала и соединенную с другой опорой, механическая передача выполнена в виде инерционного механизма, маховик которого установлен на валу с возможностью относительного вращения и осевого перемещения, входное звено выполнено в виде зубчатой рейки, а в качестве выходного звена установлена фрикционная муфта, первый диск которой жестко связан с валом, а второй диск подвижно установлен в осевом направлении и взаимодействует с инерционным элементом маховика под действием пружины сжатия, установленной на конце вала, обеспечивающей перемещение второго фрикционного диска к плоскости маховика и регулирующей силу демпфирования колебаний, причем пружина сжатия, установленная на конце вала, взаимодействует с вторым фрикционным диском и гайкой винтового механизма, винт которого выполнен на конце вала, а гайка установлена в картере с возможностью осевого перемещения вдоль оси вала и ограниченного углового перемещения вокруг этой оси.

Благодаря тому, что в амортизаторе, содержащем две опоры и механическую передачу, имеющую картер, соединенный с одной опорой, вал с шестерней и зубчатую рейку, взаимодействующую с шестерней вала и соединенную с другой опорой, механическая передача выполнена в виде инерционного механизма, входным звеном которого является зубчатая рейка, а в качестве выходного звена установлена фрикционная муфта, взаимодействующая с инерционным элементом маховика, обеспечивается рекуперация энергии колебаний при ограниченной осевой силе амортизатора, что эффективно уменьшает низкочастотные колебания и практически не усиливает высокочастотные. При этом вследствие малого числа достаточно простых элементов амортизатор имеет простую и надежную конструкцию со сравнительно небольшими габаритами и массой.

Вследствие возможности осевого перемещения подвижного фрикционного диска к плоскости маховика обеспечивается регулирование момента трения фрикционной муфты и его стабильность при износе фрикционных элементов.

Благодаря тому, что пружина сжатия, установленная на конце вала, взаимодействует с подвижным фрикционным диском и гайкой винтового механизма, винт которого выполнен на конце вала, а гайка установлена в картере с возможностью осевого перемещения вдоль оси вала и ограниченного углового перемещения вокруг этой оси, обеспечивается, во-первых, постоянство момента трения фрикционной муфты и осевой силы амортизатора в пределах ограниченного углового перемещения гайки в картере, что повышает стабильность характеристик амортизатора и его надежность, т.к. винтовой механизм при этом не работает, а, во-вторых, обеспечивается автоматическое регулирование момента трения фрикционной муфты и осевой силы амортизатора при углах поворота вала на угол, больший величины свободного углового перемещения гайки относительно картера, т. к. при этом гайка перемещается вдоль винта, изменяя усилие пружины сжатия, что необходимо для эффективного гашения колебаний транспортных средств с изменяемой подрессоренной массой.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого решения, позволило установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого решения по совокупности признаков, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображен основной вид предлагаемого амортизатора, продольный разрез, а на фиг. 2 - поперечный разрез винтового механизма.

Амортизатор содержит механическую передачу, выполненную в виде инерционного механизма, имеющую картер 1, соединенный с верхней опорой 2, вал 3 с шестерней 4 и зубчатую рейку 5, взаимодействующую с шестерней 4 вала 3 и соединенную с нижней опорой 6. На валу 3 с возможностью относительного вращения и перемещения вдоль оси установлен маховик 7, с двух сторон которого установлена фрикционная муфта, первый диск 8 которой жестко связан с валом 3, а второй - 9 установлен подвижно в осевом направлении на шлицах вала 3. Механическая передача преобразует возвратно-поступательное движение опор 2 и 6 во вращательное движение фрикционных дисков 8 и 9, при этом зубчатая рейка 5 является входным звеном передачи, фрикционная муфта - выходным звеном, а маховик 7 - инерционным звеном, что обеспечивает рекуперацию энергии колебаний при низких частотах и ограничение осевой силы амортизатора при высоких частотах.

На конце вала 3 установлена пружина сжатия 10, прижимающая фрикционный диск 9 к плоскости маховика 7, который предназначен для создания динамических сил, пропорциональных относительным ускорениям опор 2 и 6 и ограниченных по величине моментом трения фрикционной муфты. Вследствие возможности осевого перемещения фрикционного диска 9 и маховика 7 обеспечивается поджатие маховика 7 к фрикционному диску 8 для задания момента трения и его стабильности при износе фрикционных элементов, так как пружина 10 имеет значительное предварительное поджатие и ее усилие мало изменяется при небольшом осевом перемещении вследствие износа фрикционных элементов. При этом начальное усилие пружины 10 устанавливается при растянутом амортизаторе и соответствует порожнему транспортному средству.

Пружина 10 опирается на гайку 11 винтового механизма, винт которого выполнен на конце вала 3. Гайка 11 имеет кулачок 12 (фиг. 2) и установлена в крышке 13 картера 1, имеющей выступ 14, ограничивающий угловое движение гайки 11 и дающий возможность ее осевого перемещения вдоль оси вала 3 при взаимодействии выступа 14 с кулачком 12. В результате, во-первых, обеспечивается постоянство момента трения фрикционной муфты и осевой силы амортизатора в пределах ограниченного углового перемещения гайки 11 в крышке 13, что повышает стабильность характеристик амортизатора и его надежность, т.к. винтовой механизм при этом не работает, а во-вторых, обеспечивается автоматическое регулирование момента трения фрикционной муфты и осевой силы амортизатора при углах поворота вала 3 на угол, больший величины свободного углового перемещения гайки 11 относительно крышки 13, т.к. при этом гайка 11 перемещается вдоль винта вала 3, изменяя усилие пружины 10, что необходимо для эффективного гашения колебаний транспортных средств с изменяемой подрессоренной массой.

Часть картера 1, где установлен маховик 7, частично заполняется маслом, что уменьшает износ фрикционных дисков, улучшает отвод тепла и повышает стабильность момента трения фрикционной муфты.

Предлагаемый амортизатор работает следующим образом.

При относительных перемещениях опор 2 и 6, имеющих место при движении транспортного средства, зубчатая рейка 5 перемещается относительно картера 1 и вращает шестерню 4 с валом 3. Вместе с валом 3 вращаются фрикционные диски 8 и 9, поджатые к торцам маховика 7 пружиной 10. Момент трения между фрикционными дисками 8 и 9 и маховиком 7 передается последнему. Если момент трения больше инерционного момента маховика 7, что имеет место при низких частотах, то последний вращается заодно с валом 3 и осуществляет рекуперацию энергии колебаний, накапливая кинетическую энергию при разгоне и отдавая ее при торможении с изменением направления действия осевой силы. При этом инерционный момент маховика 7, преобразованный реечной передачей, создает по оси амортизатора инерционную силу, пропорциональную относительному ускорению опор 2 и 6, что снижает частоту собственных колебаний виброизолируемого объекта, тем самым улучшая виброзащитные свойства колебательной системы в резонансной зоне. Если момент трения меньше инерционного момента маховика 7, что имеет место в основном при высоких частотах, то последний вращается с проскальзыванием относительно вала 3. При этом приведенная к оси амортизатора инерционная сила ограничена по величине моментом трения фрикционной муфты, что исключает блокировку амортизатора при высоких зарезонансных частотах колебаний, тем самым также улучшая виброзащитные свойства. Таким образом, осевая сила амортизатора саморегулируется по величине и направлению в зависимости от относительного ускорения и частоты.

При небольших относительных перемещениях опор 2 и 6, имеющих место в подвеске движущегося транспортного средства, угловые колебания гайки 11 происходят в основном в пределах ее свободного углового хода в крышке 13 картера 1. Поэтому винтовой механизм практически не работает и момент трения фрикционной муфты постоянен, вследствие чего повышаются надежность амортизатора и стабильность его характеристик.

При увеличении нагрузки на транспортное средство опоры 2 и 6 сближаются, свободный ход между кулачком 12 гайки 11 и выступом 14 крышки 13 картера 1 выбирается и гайка 11 навинчивается на винт вала 3, сжимая пружину 10, что увеличивает момент трения фрикционной муфты, вследствие чего увеличиваются гасящие свойства амортизатора. Таким образом, эффективность амортизатора изменяется в соответствии с изменением нагрузки на транспортное средство.

Тепло, выделяемое при работе фрикционных элементов, поглощается маховиком 7 и маслом, от которого передается картеру 1 с крышкой 13 и рассеивается в окружающую среду. Масло также способствует повышению стабильности момента и долговечности фрикционной муфты и винтового механизма.

Предлагаемый амортизатор обеспечивает существенное уменьшение колебаний виброизолируемых объектов и транспортных средств за счет снижения частоты собственных колебаний и исключения блокировки амортизатора, что приводит к повышению плавности хода и снижению вибронагруженности людей, грузов и самих транспортных средств, а также сил на дорогу. При этом все это обеспечивает пассивный саморегулируемый амортизатор, имеющий простую и надежную конструкцию, сравнительно небольшие габариты, массу и затраты на изготовление и при эксплуатации.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- амортизатор, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для применения в подвеске транспортных средств и обеспечивает при простой и надежной конструкции снижение частоты собственных колебаний и исключение блокировки амортизатора, что приводит к повышению плавности хода и снижению вибронагруженности перевозимых людей, грузов и самих транспортных средств, а также динамических сил на дорогу;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и прилагаемым чертежом;
- амортизатор, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Изобретение относится к устройствам для гашения колебаний виброизолируемых объектов и предназначено для применения преимущественно в подвесках транспортных средств. Амортизатор содержит две опоры и механическую передачу, преобразующую вращательное движение в возвратно-поступательное, выполненную в виде инерционного механизма, маховик которого установлен на валу с возможностью относительного вращения и осевого перемещения. Входное звено выполнено в виде зубчатой рейки, а в качестве выходного звена установлена фрикционная муфта, первый диск которой жестко связан с валом, а второй диск установлен подвижно в осевом направлении и взаимодействуют с инерционным элементом маховика под действием пружины сжатия, установленной на конце вала, обеспечивающей перемещение второго фрикционного диска к плоскости маховика и регулирующей силу демпфирования колебаний, причем пружина сжатия, установленная на конце вала, взаимодействует с фрикционным диском и гайкой винтового механизма, винт которого выполнен на конце вала, а гайка установлена в картере с возможностью осевого перемещения вдоль оси вала и ограниченного углового перемещения вокруг этой оси. Технический результат - повышение плавности хода транспортного средства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Амортизатор, содержащий две опоры и механическую передачу, преобразующую вращательное движение в возвратно-поступательное и имеющую картер, соединенный с одной опорой, вал с шестерней и зубчатую рейку, взаимодействующую с шестерней вала и соединенную с другой опорой, отличающийся тем, что механическая передача выполнена в виде инерционного механизма, маховик которого установлен на валу с возможностью относительного вращения и осевого перемещения, входное звено выполнено в виде зубчатой рейки, а в качестве выходного звена установлена фрикционная муфта, первый диск которой жестко связан с валом, а второй диск подвижно установлен в осевом направлении и взаимодействует с инерционным элементом маховика под действием пружины сжатия, установленной на конце вала, обеспечивающей перемещение второго фрикционного диска к плоскости маховика и регулирующей силу демпфирования колебаний. 2. Амортизатор по п.1, отличающийся тем, что пружина сжатия, установленная на конце вала, взаимодействует со вторым фрикционным диском и гайкой винтового механизма, винт которого выполнен на конце вала, а гайка установлена в картере с возможностью осевого перемещения вдоль оси вала и ограниченного углового перемещения вокруг этой оси.